1. GIỚI THIỆU

Trong bối cảnh chuyển dịch cơ cấu năng lượng toàn cầu và mục tiêu "carbon kép" (trung hòa carbon và đạt đỉnh carbon), các nhà máy nhiệt điện than hiện hữu đang đối mặt với những thách thức nghiêm trọng: chính sách kiểm soát phát thải carbon ngày càng siết chặt, chi phí nhiên liệu liên tục leo thang, các tổ máy đưa vào vận hành từ sớm bị giới hạn bởi trình độ công nghệ khi đó, dẫn đến tình trạng phổ biến như tiêu hao nhiệt lớn, hiệu suất thấp, hiệu quả kinh tế kém, và các rủi ro an toàn gia tăng. Thực hiện cải tạo thông dòng hiệu suất cao đối với các tổ máy tuabin hơi cũ để khai thác tiềm năng thiết bị, nâng cao hiệu quả vận hành, độ tin cậy và tính thân thiện môi trường, đã trở thành con đường then chốt giúp các nhà máy nâng cao chất lượng và hiệu quả. Công ty TNHH Turbine Dongfang (Turbine Dongfang), với vai trò là một trong những doanh nghiệp hàng đầu thế giới trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo thiết bị phát điện, đã hình thành lợi thế vượt trội trong mảng cải tạo thông dòng tuabin hơi nhờ vào nền tảng kỹ thuật vững chắc và sự đổi mới liên tục. Bài viết này nhằm trình bày một cách hệ thống những ưu thế cốt lõi trong công nghệ cải tạo thông dòng của Turbine Dongfang, sự phát triển đổi mới của công nghệ thông dòng hiệu suất cao thế hệ thứ tư, các điểm đổi mới kỹ thuật then chốt cũng như hiệu quả đạt được trong các dự án cải tạo thực tế. Trọng tâm là làm nổi bật hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao hiệu suất ở tải định mức và tải rộng, làm chậm quá trình lão hóa tổ máy, đảm bảo tổ máy vận hành hiệu quả trong toàn bộ vòng đời. Đồng thời, bài viết cũng thảo luận về triển vọng ứng dụng công nghệ số trong việc nâng cấp các thiết bị truyền thống.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu này dựa trên nền tảng tích lũy lâu dài về nghiên cứu kỹ thuật và thực tiễn kỹ sư trong lĩnh vực sản xuất và cải tạo tuabin của Turbine Dongfang, lấy hệ thống công nghệ thông dòng hiệu suất cao thế hệ thứ tư tiên tiến của công ty làm trụ cột cốt lõi. Phương pháp và khung nghiên cứu bao gồm:

2.1. Nền tảng công nghệ và quá trình phát triển:
Turbine Dongfang kết hợp đồng thời các yêu cầu về nhiệt động lực học, khí động học và độ bền cơ học, tích hợp mô hình tổn thất có độ chính xác cao được xác thực bằng dữ liệu lớn, từ đó phát triển nền tảng thiết kế tối ưu thông minh thông dòng hiệu suất cao – TIOD. Công ty cũng đã đầu tư xây dựng sàn thí nghiệm tuabin khí nhiều tầng cánh – thiết bị thử nghiệm duy nhất trong ngành (hình 1, hình 2), có khả năng thực hiện các thử nghiệm chi tiết về trường dòng khí trong kênh cánh dẫn, qua đó nắm bắt công nghệ cốt lõi về thông dòng của tuabin hơi. Ngoài ra, Turbine Dongfang sở hữu Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về thiết bị động lực tuabin sạch và hiệu suất cao – phòng thí nghiệm duy nhất trong lĩnh vực tuabin tại Trung Quốc. Phòng này đảm nhiệm nghiên cứu các linh kiện rèn chịu nhiệt lớn ở 630°C, xử lý bề mặt linh kiện đúc nhiệt độ cao, đồng thời cung cấp nền tảng hỗ trợ cho nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt và khả năng chống oxy hóa của linh kiện đúc. Bên cạnh đó, Turbine Dongfang còn xây dựng hệ thống hầm gió, bệ thử nghiên cứu và kiểm tra gioăng hơi, bệ thử hệ thống dầu... Dựa trên hệ thống thử nghiệm hàng đầu trong nước, công ty đã thiết lập quy trình phát triển đặc trưng gồm: "tối ưu lý thuyết – kiểm chứng tại xưởng – xác minh công nghiệp trên tổ máy cải tạo – ứng dụng trên tổ máy mới", qua đó không ngừng thúc đẩy nâng cao hiệu quả kinh tế của các tổ máy.

Bệ thử nghiệm tuabin khí nhiều tầng        

2.2. Cấu thành công nghệ cốt lõi:

Công nghệ hình dạng cánh và dòng chảy hiệu suất cao với dải tải rộng: Sử dụng các dạng biên dạng xung lực hiệu suất cao và biên dạng phản lực hiệu suất cao do Turbine Dongfang tự thiết kế và phát triển. Nhờ nền tảng thiết kế thông dòng tiên tiến, áp dụng các khái niệm thiết kế như giảm entanpy nhỏ, nhiều cấp, tỷ số đường kính gốc nhỏ, chiều cao cánh tương đối lớn, nhằm tối ưu phân bố tổn thất entanpy trong toàn bộ xi-lanh. Các cánh dẫn sử dụng công nghệ tối ưu hóa với dòng chảy tải trọng hỗn hợp và thiết kế xoáy có kiểm soát, nhằm giảm tối đa tổn thất dòng phụ và đạt được sự phối hợp tối ưu giữa cánh tĩnh và cánh động, từ đó nâng cao hiệu suất tổng hợp của cấp thông dòng lên mức tối ưu.

Công nghệ tầng điều chỉnh tiên tiến: Tầng điều chỉnh mới nhất được tối ưu hóa toàn diện từ kết cấu cánh, thiết kế biên dạng, sự phối hợp giữa cánh động và cánh tĩnh, tối ưu khí động học và giảm rò rỉ hơi. Áp dụng cấu trúc dạng vòng có chóp tích hợp tiên tiến trên thế giới (Hình 3), không chỉ cải thiện độ bền cơ học của cánh mà còn cho phép bố trí nhiều răng phớt hơi trên đỉnh cánh, qua đó giảm tổn thất rò rỉ hơi ở các tầng cánh. Do đó, tầng điều chỉnh mới có độ an toàn và độ tin cậy cao, hiệu quả kinh tế tốt, khả năng gia công và lắp ráp thuận lợi. Theo kết quả phân tích số học 3D toàn phần (Hình 4), tầng điều chỉnh dạng vòng có chóp tích hợp sau tối ưu đạt hiệu suất cao hơn >5% so với thiết kế ban đầu, đồng thời nâng hiệu suất của xi-lanh cao áp lên hơn 1%.

Tầng điều chỉnh kiểu mới có chóp tích hợp

Công nghệ chuẩn hóa tầng cánh cuối: Sử dụng phương pháp thiết kế ba chiều toàn phần, Turbine Dongfang đã tiến hành tối ưu hóa đa tầng các đặc tính phân bố của cánh tĩnh như hình dạng biên dạng, độ nghiêng, độ cong, góc dòng khí ra… để tối ưu hóa độ phản lực, cải thiện trường dòng chảy ở tầng cánh cuối, từ đó giảm tổn thất tầng cuối, nâng cao hiệu suất tầng cánh, cải thiện hiệu suất làm việc ở các chế độ tải biến thiên, và tăng hiệu quả kinh tế của tổ máy. Đối với cánh cuối được tối ưu hóa hoàn toàn mới, giá trị entropy tại bề mặt ra ở khu vực dưới 50% chiều cao cánh và vùng gần tường đầu cánh trên đã giảm rõ rệt so với tầng nguyên mẫu, điều này cho thấy tổn thất dòng chảy trong các khu vực đó đã được giảm thiểu. Từ phân bố tốc độ có thể thấy, ở vùng trên 50% chiều cao cánh – đặc biệt là gần 75% chiều cao – tốc độ xả sau tối ưu giảm đáng kể so với tầng nguyên mẫu. Điều này giúp nâng cao hiệu suất tĩnh một cách rõ rệt, khiến hiệu suất của tầng cuối mới vượt xa tầng nguyên bản. Turbine Dongfang đã hoàn thành phát triển toàn bộ dải công suất từ 100MW đến 1300MW (Hình 5), sở hữu các sản phẩm tiên tiến như cánh làm mát bằng không khí dài 1030mm và cánh làm mát bằng nước dài 1450mm, đồng thời đã phát triển các mẫu cánh như 661mm, 909mm, 1200mm… nhằm đáp ứng nhu cầu vận hành tải rộng và cung cấp nhiệt.

Tối ưu hóa cấu trúc hơi vào/ra: Thông qua hàng loạt phân tích mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm (như thử nghiệm hơi ẩm tại xi-lanh xả trung áp), Turbine Dongfang đã tối ưu thiết kế buồng vào hơi, xi-lanh xả và vòng dẫn dòng, nhằm giảm tổn thất dòng chảy và cải thiện độ đồng đều của trường dòng (Hình 6).

Tối ưu hóa cấu trúc stator: Đối với các bộ phận chịu nhiệt cao như van và xi-lanh, Turbine Dongfang tiến hành phân tích trường nhiệt độ và ứng suất để tối ưu hóa thiết kế. Áp dụng các giải pháp như bo góc lớn, mặt bích hẹp và cao, hoặc cấu trúc xi-lanh dạng ống để giảm ứng suất nhiệt. Ở xi-lanh trung áp, thiết kế xi-lanh trong theo kiểu phân đoạn giúp giảm chênh lệch nhiệt độ và biến dạng. Ở khu vực hạ áp, áp dụng kết cấu xi-lanh trong có gối nghiêng biến dạng nhỏ và mặt bích chia nhỏ tại mặt phân chia trung tâm để giảm ứng suất nhiệt và biến dạng. Tấm gioăng chèn được chuyển từ kết cấu kiểu tay đòn sang kiểu dầm giản đơn, giúp giảm biến dạng và có khả năng tự làm kín, từ đó cải thiện hiệu quả hiện tượng quá nhiệt tại cửa hút hạ áp.

Công nghệ gioăng hơi tiên tiến: Dựa trên dữ liệu thử nghiệm kích thước đầy đủ từ phòng thí nghiệm chuyên dụng về gioăng hơi (Hình 8), Turbine Dongfang đã áp dụng nhiều kiểu gioăng hơi tiên tiến như gioăng răng lệch, gioăng kín và gioăng chống xoáy (Hình 9), được cấu hình tùy theo từng tình huống thực tế, nhằm giảm hiệu quả tổn thất do rò rỉ hơi.

Hình 8: Hình ảnh phòng thí nghiệm gioăng hơi

2.3. Số hóa thiết bị:
Các sản phẩm thông minh của Turbine Dongfang lấy cơ sở dữ liệu cloud thông minh từ trung tâm nghiên cứu sáng tạo Tuabin Dongfang làm nền tảng chính, phát triển nền tảng phân tích dữ liệu lớn và các mô-đun sản phẩm thông minh (Hình 10), nhằm hiện thực hóa các chức năng như cảm biến trạng thái thiết bị, tối ưu hóa hiệu suất và vận hành bảo trì thông minh. Về điều khiển thông minh, hệ thống cung cấp các chức năng như khởi động/dừng thông minh cho khối tuabin hơi, tối ưu tần số, tập trung vào việc nâng cao mức độ tự động hóa trong điều khiển thiết bị.

Về tối ưu vận hành, có các chức năng như tối ưu áp suất hơi chính theo thời gian thực, tối ưu chân không bình ngưng, tối ưu tiêu hao than dựa trên dữ liệu lớn… với mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu hao, nâng cao hiệu suất phát điện. Về phần cứng thông minh, tích hợp các chức năng như giám sát an toàn cánh dài tầng cuối, giám sát ứng suất bu-lông trực tuyến, theo dõi tình trạng kẹt van… nhằm loại bỏ các điểm mù trong giám sát, giảm sự cố dừng máy đột ngột và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Về vận hành bảo trì thông minh, bao gồm: giám sát thông minh, chẩn đoán và cảnh báo rung trục, giám sát và chẩn đoán hiệu suất năng lượng, phân tích suy giảm hiệu suất nhiệt, đánh giá tuổi thọ linh kiện quan trọng, đào tạo bảo trì ảo, video hướng dẫn bảo dưỡng… tập trung vào mục tiêu giảm chi phí bảo trì, giám sát cảnh báo toàn bộ thông số, bảo trì theo tình trạng và quản lý cơ sở dữ liệu sự cố.

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Công nghệ thông dòng hiệu suất cao thế hệ thứ tư và giải pháp cải tạo tùy chỉnh của Turbine Dongfang đã đạt được những hiệu quả rõ rệt trong thực tiễn ứng dụng:

3.1. Hiệu suất thông dòng được nâng cao rõ rệt:

Sau khi áp dụng công nghệ thế hệ thứ ba của Turbine Dongfang, hiệu suất xi-lanh cao áp đã vượt mốc 90%, hiệu suất xi-lanh trung áp duy trì ổn định trên 93,5%, trong đó một số tổ máy 660MW đạt tới 94% ở xi-lanh trung áp. Sau cải tạo tổ máy 1000MW tại Châu Huyện bằng công nghệ thế hệ thứ tư, hiệu suất xi-lanh cao áp đạt 92,16%, hiệu suất xi-lanh trung áp đạt 93,99%. Các tổ máy siêu siêu tới hạn thế hệ thứ tư mới được đưa vào vận hành gần đây đã đạt hiệu suất xi-lanh cao áp vượt 92% và xi-lanh trung áp vượt 95%, cao hơn khoảng 2% so với mức trung bình toàn ngành. Điều này tương đương với việc giảm tiêu hao than cấp điện khoảng 2,5g/kWh, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí nhiên liệu trong toàn bộ vòng đời tổ máy. Lấy tổ máy siêu siêu tới hạn 660MW làm ví dụ, Hình 11 cho thấy mức độ nâng cao hiệu suất của xi-lanh cao và trung áp trong những năm gần đây.

3.2. Hiệu quả kinh tế ở các dải tải được cải thiện đáng kể:

Sau khi cải tạo tổ máy siêu siêu tới hạn 660MW tại Cảnh Đức Trấn (Tập đoàn Quốc gia Điện lực Trung Quốc), suất tiêu hao than cấp điện tổng hợp giảm 15g/kWh, trong đó ở chế độ tải 50% mức tiêu hao than giảm tới 22g/kWh. Sau cải tạo tổ máy siêu siêu tới hạn 1000MW số 7 tại Nhà máy điện Châu Huyện của Tập đoàn Hoa Điện, suất tiêu hao nhiệt trong thử nghiệm đạt dưới 7340kJ/(kW·h), suất tiêu hao than phía tuabin hơi giảm 15g/(kW·h).

3.3. Nâng cao tính linh hoạt

Các dự án như Nhà máy điện Đồng Xuyên của Tập đoàn Hoa Năng và Nhà máy điện Ninh Đức của Tập đoàn Đại Đường đã nâng cao khả năng vận hành linh hoạt thông qua cải tạo thông dòng, giúp tổ máy đạt độ sâu điều tải tới 20%. Các công nghệ tối ưu hóa cấu trúc, phối hơi và gioăng hơi đã nâng cao hiệu quả thích ứng của tổ máy trong điều kiện tải thấp và chế độ vận hành biến đổi. Sau cải tạo, Nhà máy điện Vịnh Hồng – Quảng Đông đã tiến hành thử nghiệm khả năng khởi động nhanh cho tổ máy.
Kết quả cho thấy, khả năng khởi động/ngừng nhanh và thay đổi tải đều vượt xa mức trước cải tạo. Trong dải tải từ 50% đến 100% công suất định mức (Pe), mục tiêu thay đổi tải nhanh ≥ 5%/phút (tương đương 30MW/phút), trong khi tốc độ thay đổi tải thực tế đạt >10%/phút, cụ thể lên tới 84,7MW/phút, cho thấy tổ máy có khả năng thay đổi tải nhanh vượt trội.

3.4. Chứng minh hiệu quả toàn vòng đời nhà máy

Turbine Dongfang đã áp dụng công nghệ thông dòng tiên tiến hiệu suất cao, lấy cánh có bước lưới lớn và tải cao làm lõi, giúp nâng cao hiệu suất đồng thời giảm ảnh hưởng của đóng cặn, oxy hóa và xói mòn lên hiệu quả thông dòng. Cùng với đó, các bộ phận kết cấu chính của tổ máy cũng được tối ưu hóa để ngăn rò rỉ nội bộ, khe hở phớt hơi được thiết kế hợp lý hơn nhằm cân bằng giữa hiệu quả kinh tế, an toàn và tính linh hoạt. Kết quả thử nghiệm theo dõi lão hóa dài hạn cho thấy: Các tổ máy áp dụng công nghệ của Turbine Dongfang có tốc độ lão hóa chỉ bằng một nửa so với giá trị khuyến nghị của ASME, chứng tỏ khả năng chống lão hóa vượt trội (xem Hình 12).

Giá trị lão hóa thực tế sau cải tạo của tổ máy Turbine Dongfang

Dự án Cảnh Đức Trấn sau một năm vận hành thực tế cho thấy mức độ lão hóa hiệu suất thấp hơn một nửa so với giá trị tiêu chuẩn ASME, qua đó khẳng định mạnh mẽ mục tiêu thiết kế “hiệu quả trong toàn bộ vòng đời”.

3.5. Hiệu quả ứng dụng số hóa

Nền tảng sản phẩm thông minh đã được ứng dụng tại nhiều nhà máy điện, trên các tổ máy với nhiều cấp công suất khác nhau, hiện thực hóa chuyển đổi từ “bảo trì sau khi sự cố” sang “cảnh báo sớm” và “tối ưu trong quá trình vận hành”, qua đó nâng cao hiệu quả bảo trì – vận hành, độ tin cậy thiết bị và hiệu quả kinh tế vận hành.

Kết quả cho thấy, giải pháp cải tạo nâng cấp tổng thể ứng dụng công nghệ thông dòng thế hệ thứ tư của Turbine Dongfang đã thành công đạt được các mục tiêu cốt lõi: “hiệu quả ở tải định mức”, “hiệu quả trên dải tải rộng” và “hiệu quả toàn vòng đời”. Thành công này đến từ nền tảng kỹ thuật vững chắc, đầu tư R&D liên tục, cùng sự thấu hiểu sâu sắc và phản hồi chính xác theo nhu cầu thực tế của khách hàng. Sự kết hợp sâu rộng giữa công nghệ số và thiết bị truyền thống đã mang lại sức sống mới cho thiết bị, là xu hướng phát triển công nghệ quan trọng trong tương lai. Hiện tại, Turbine Dongfang đã có thành tích cải tạo phong phú với hơn 500 tổ máy tuabin hơi (trong đó hơn 100 tổ máy không phải thiết bị của Turbine Dongfang), các dự án tiêu biểu như Tổ máy Châu Huyện (Zouxian), Cảnh Đức Trấn (Jingdezhen) đã chứng minh được sự thành thục của công nghệ và phạm vi ứng dụng rộng rãi.

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận：

1. Đông Phương Turbine sở hữu những lợi thế đặc biệt trong cải tạo thông dòng tuabin hơi, bao gồm: kinh nghiệm kỹ thuật phong phú, công nghệ thông dòng hiệu suất cao thế hệ thứ tư tiên tiến hàng đầu thế giới, độ tin cậy thiết bị vượt trội và hệ thống dịch vụ hoàn chỉnh “24 giờ”.

2. Công nghệ thông dòng thế hệ thứ tư – lấy lõi là hình dạng cánh hiệu suất cao với dải tải rộng, tầng điều chỉnh tiên tiến, cánh cuối loạt hóa, kết cấu vào–ra hơi tối ưu, thiết kế stato cải tiến và công nghệ gioăng hơi tiên tiến – chính là điểm sáng kỹ thuật then chốt nhằm nâng cao hiệu suất tổ máy, hiệu quả kinh tế và độ an toàn.

3. Các dự án cải tạo thực tế (như tổ máy 660MW tại Cảnh Đức Trấn, 1000MW tại Châu Huyện) đã chứng minh đầy đủ hiệu năng vượt trội của công nghệ này: giảm rõ rệt tiêu hao than điện, nâng cao mạnh mẽ hiệu suất của các xy-lanh, tăng cường hiệu quả vận hành trên dải tải rộng và năng lực điều chỉnh tải, đồng thời kéo dài tuổi thọ tổ máy, hiện thực hóa vận hành hiệu quả suốt toàn bộ vòng đời.

4. Ứng dụng sâu công nghệ số mang đến nền tảng vững chắc cho giám sát hiệu suất tổ máy theo thời gian thực, tối ưu vận hành, cảnh báo sự cố và bảo trì thông minh – là công cụ quan trọng giúp nâng cao giá trị cho nhà máy điện.

Kiến nghị：

1. Đối với các nhà máy nhiệt điện than hiện hữu đang đối mặt với áp lực về hiệu quả kinh tế và yêu cầu bảo vệ môi trường – đặc biệt là các tổ máy vận hành sớm với hiệu suất thấp – nên tích cực xem xét áp dụng công nghệ cải tạo thông dòng tiên tiến để nâng cấp. Giải pháp tùy chỉnh từ Turbine Dongfang là một lựa chọn đáng tin cậy.
2. Khi tiến hành cải tạo thông dòng, cần cân nhắc toàn diện các yếu tố như hiệu suất định mức, khả năng vận hành ở dải tải rộng, năng lực duy trì hiệu quả lâu dài và nhu cầu nâng cấp số hóa, từ đó lựa chọn giải pháp tổng thể mang lại giá trị tối ưu trong suốt vòng đời tổ máy.
3. Khuyến khích các nhà máy điện tăng cường hợp tác sâu với nhà sản xuất thiết bị, tận dụng tối đa dữ liệu thiết kế và năng lực phân tích dữ liệu lớn của họ, cùng nhau phát triển và ứng dụng các chiến lược vận hành thông minh cũng như mô-đun tối ưu hóa hiệu suất.
4. Tiếp tục theo dõi và đầu tư vào công nghệ số hóa, thông minh hóa trong nhà máy điện, đây là xu thế tất yếu để nâng cao năng lực cạnh tranh cốt lõi và thích ứng với sự phát triển của hệ thống điện kiểu mới.
5. Turbine Dongfang sẽ tiếp tục tăng cường đầu tư vào R&D trong các lĩnh vực như thông số cao hơn, điều tải sâu hơn, tích hợp năng lượng tái tạo, và giảm phát thải carbon sâu hơn, qua đó không ngừng dẫn dắt xu hướng chuyển đổi xanh, ít carbon của nhiệt điện than.

Yang Zhe¹，Liyu², Huang Biao3, Shi Yuanping4, Xu Rui